一种氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体及其制备与应用制造技术

本发明专利技术提供一种氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体及其制备与应用，其包括以下步骤：(1)、将烘干后的大比表面积三维石墨烯粉体置于等离子体设备腔室内的底部电极上，调整顶部电极使得底部电极与顶部电极之间保持一合适的间距，除去腔室内空气，再向腔室内通入氮气；(2)、待等离子体设备腔室内压力稳定后，打开高压直流电源以稳定产生氮气等离子体气氛，并在该气氛下进行三维石墨烯粉体的氮气等离子体改性处理，处理结束后，得到所述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体。采用本发明专利技术制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体作为对电极材料组装染料敏化太阳能电池，进而取代传统电极材料Pt，可以明显提升电池光伏效率，降低电池生产成本。

Three dimensional graphene powder modified by nitrogen plasma and preparation and application thereof

The present invention provides the preparation and application of three-dimensional graphene powder in a nitrogen plasma modification and preparation, which comprises the following steps: (1), after drying the large surface area of three-dimensional graphene powder in the plasma equipment chamber bottom electrode, a top electrode to maintain a proper adjustment of the spacing between the bottom the electrode and the top electrode, remove the chamber air and nitrogen into the chamber to pass again; (2) and the plasma chamber pressure stable equipment, produce the nitrogen plasma atmosphere to stabilize the open high voltage DC power supply, nitrogen plasma treatment and three-dimensional graphene powder in the gas atmosphere, after the end of treatment to obtain three-dimensional graphene powder, the nitrogen plasma modification. Using the prepared nitrogen plasma modification of three-dimensional graphene powder as electrode materials of dye-sensitized solar cells, and then replace the traditional electrode materials of Pt, can significantly improve the efficiency of photovoltaic battery, reduce battery production costs.

【技术实现步骤摘要】
一种氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体及其制备与应用
本专利技术涉及一种氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体及其制备与应用，属于石墨烯材料及其制备与应用

技术介绍
三维石墨烯粉体具有良好的导电性、大的比表面积、低的成本造价和一定程度上的电催化活性，其被认为是理想的染料敏化太阳能电池对电极用材料，但其如果想提供较好的催化活性，所需对电极厚度较大，而这却不利于电池的后续封装及实际应用，会增加电池成本，因此需要对石墨烯粉体改性修饰来增强石墨烯催化能力。所以，提供一种氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体已成为本领域亟需解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决上述的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的制备方法。本专利技术的目的还在于提供由上述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的制备方法制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体。本专利技术的目的还在于提供上述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体作为染料敏化太阳能电池对电极材料的应用。本专利技术的目的又在于提供一种染料敏化太阳能电池，其包括由上述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体制备得到的对电极。为达到上述目的，一方面，本专利技术提供了一种氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的制备方法，其包括以下步骤：(1)、将烘干后的大比表面积三维石墨烯粉体置于等离子体设备腔室内的底部电极上，调整顶部电极使得底部电极与顶部电极之间保持一合适的间距，除去腔室内空气，再向腔室内通入氮气；(2)、待等离子体设备腔室内压力稳定后，打开高压直流电源以稳定产生氮气等离子体气氛，并在该气氛下进行三维石墨烯粉体的氮气等离子体改性处理，处理结束后，得到所述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体。根据本专利技术所述的制备方法，其中，步骤(1)中所述烘干为本领域常规操作，本专利技术对烘干不作具体要求，只要保证可以完全去除大比表面积三维石墨烯粉体所含水分即可，在本专利技术具体实施方式中，该烘干过程在真空烘箱中实现，烘干温度为40℃，烘干时间为2h。根据本专利技术所述的制备方法，其中，本专利技术所用的等离子体设备为本领域使用的常规设备。根据本专利技术所述的制备方法，优选地，所述大比表面积三维石墨烯粉体为具有边缘拓扑缺陷结构的三维石墨烯粉体，其比表面积为1500-2000m2/g。根据本专利技术所述的制备方法，在本专利技术具体实施方式中，所用大比表面积三维石墨烯粉体为采用流化床气相化学沉积法(GuoqingNingetal,Gram-scalesynthesisofnanomeshgraphemewithhighsurfaceareaanditsapplicationinsupercapacitorelectrodes,ChemCommun,2011,47,5976-5978)生长的大比表面积三维石墨烯粉体。根据本专利技术所述的制备方法，其中，步骤(1)中所述除去腔室内空气操作为本领域常规操作，本专利技术对其不作具体要求，只要保证可以将腔室内空气除尽即可，在本专利技术具体实施方式中，该除去腔室内空气操作包括以下具体步骤：利用真空泵先将腔室内的空气抽干，然后通入氮气，然后再将氮气抽干，以除尽空气。根据本专利技术所述的制备方法，优选地，所述底部电极与顶部电极之间的间距为4-8mm。根据本专利技术所述的制备方法，优选地，步骤(1)中向腔室内通入氮气后保持腔室内的压力为450-500Pa。根据本专利技术所述的制备方法，优选地，步骤(1)中所述氮气的流量为150-200sccm/min。根据本专利技术所述的制备方法，优选地，步骤(2)中所述高压直流电源的电压为450-500V。根据本专利技术所述的制备方法，优选地，步骤(2)中所述氮气等离子体改性处理的处理温度为30-50℃，处理时间为15-40min。其中，开始阶段等离子体设备腔室内基本保持在室温，随着反应时间的延长，设备温度会稍微增加，处理温度范围在30-50℃。另一方面，本专利技术还提供了上述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的制备方法制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体；优选地，该氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的比表面积为1800-2000m2/g，孔体积为2.8-3.1cm3g-1，孔径为2-9nm，导电率为3000-3200Sm-1。又一方面，本专利技术还提供了上述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体作为染料敏化太阳能电池对电极材料的应用。再一方面，本专利技术还提供了一种染料敏化太阳能电池，其包括由所述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体制备得到的对电极。本专利技术基于氮气等离子体改性三维石墨烯粉体，在尽可能不改变三维石墨烯结构的前提下对其进行表面修饰改性，保证了改性后的石墨烯材料仍具有优异的导电性能；同时，本专利技术制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体还具有较大的比表面积(超过1800m2g-1)；此外，于氮气等离子体改性修饰过程中，通过控制等离子体的强度(改变电压实现的)，在不明显破坏三维石墨烯结构的前提下，本专利技术能够实现边缘选择性掺杂氮原子并引入氮原子缺陷位点，因为边缘的碳原子活性相对来说更高，会更容易与等离子体中的氮原子结合，因此结合杂原子氮和丰富的边缘拓扑缺陷使本专利技术得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体具有优异的电催化性能。同时，本专利技术所提供的氮气等离子体改性三维石墨烯粉体的制备方法在接近室温的温度下即可进行，且简便容易操作，能够实现大批量制备，具有较强的普适性。采用本专利技术制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体作为对电极材料组装染料敏化太阳能电池，进而取代传统电极材料Pt，可以明显提升电池光伏效率，降低电池生产成本。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备得到的大比表面积三维石墨烯粉体的SEM图；图2为本专利技术实施例1中制备得到的大比表面积三维石墨烯粉体的Raman图；图3为本专利技术实施例1中制备得到的大比表面积三维石墨烯粉体的XPS图；图4为本专利技术实施例2中制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的SEM图；图5为本专利技术实施例2中制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的Raman图；图6为本专利技术实施例2中制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的XPS图；图7为本专利技术实施例3中制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的SEM图；图8为本专利技术实施例3中制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的Raman图；图9为本专利技术实施例3中制备得到的氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的XPS图；图10为本专利技术实施例5中太阳能电池Ⅰ的光电流-光电压曲线图；图11为本专利技术实施例5中太阳能电池Ⅱ的光电流-光电压曲线图；图12为本专利技术实施例5中太阳能电池Ⅲ的光电流-光电压曲线图；图13为本专利技术实施例5中太阳能电池Ⅲ及Ⅳ的光电流-光电压曲线对比图；图14为一典型的光电流-光电压曲线图(光伏曲线图)；图15为本专利技术所提供的等离子体设备结构示意图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例及说明书附图对本专利技术的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本专利技术的可实施范围的限定。实施例1本实施例提供了一种采用垂直流化床气相化学沉积法生长大比表面积三维石墨烯粉体的方法，其包括以下步骤：常压下，通入Ar(1000sccm/min)，将流化床中加热炉升温至950℃，升温速率为5℃/min；到达反应温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的制备方法，其包括以下步骤：(1)、将烘干后的大比表面积三维石墨烯粉体置于等离子体设备腔室内的底部电极上，调整顶部电极使得底部电极与顶部电极之间保持一合适的间距，除去腔室内空气，再向腔室内通入氮气；(2)、待等离子体设备腔室内压力稳定后，打开高压直流电源以稳定产生氮气等离子体气氛，并在该气氛下进行三维石墨烯粉体的氮气等离子体改性处理，处理结束后，得到所述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体。

【技术特征摘要】
1.一种氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体的制备方法，其包括以下步骤：(1)、将烘干后的大比表面积三维石墨烯粉体置于等离子体设备腔室内的底部电极上，调整顶部电极使得底部电极与顶部电极之间保持一合适的间距，除去腔室内空气，再向腔室内通入氮气；(2)、待等离子体设备腔室内压力稳定后，打开高压直流电源以稳定产生氮气等离子体气氛，并在该气氛下进行三维石墨烯粉体的氮气等离子体改性处理，处理结束后，得到所述氮气等离子体改性的三维石墨烯粉体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述大比表面积三维石墨烯粉体为具有边缘缺陷结构的三维石墨烯粉体，其比表面积为1500-2000m2/g。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述底部电极与顶部电极之间的间距为4-8mm。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中向腔室内通入氮气后保持腔室内的压力为450-500Pa。5.根据权利要求1或2所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永峰，杨旺，杨帆，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11